在Unity中实现基于粒子的水模拟(三：混合屏幕)

文章目录

在Unity中实现基于粒子的水模拟(三：混合屏幕)
前言
一、着色算法介绍
- 1.折射
- 2.反射
二、准备纹理
- 1.获取纹理
- 2.模糊纹理
- 2.混合主纹理上
总结
- 1.现有问题

前言

经过了前面的纹理，我们就到了最后的混合到屏幕阶段了，这个阶段的逻辑不是很难，本来是要基于这篇文章的公式来往上套的，不过由于本人水平问题并没有看懂作者的具体含义，于是就大概的实现了一下，估计出入挺大的。
效果看图：

项目链接：注意是在其中的master分支中

一、着色算法介绍

我们将颜色分为两部分，也就是折射和反射。

1.折射

折射要有最好的效果应该是要根据当前像素执行SSR算法，也就是计算出折射法线后，在通过深度重建的世界坐标中，用最接近折射位置的那个像素的颜色值作为折射的颜色值，但是这种方式太昂贵，所以没有采用这种方式。

本文用的方式是最简单的折射采样方式，根据法线以及液体宽度指进行uv偏移来获取折射的颜色值(因为实在看不懂作者到底什么意思，所以就这样简单实现了 )。

2.反射

反射的计算比较简单，直接传递一个Cube贴图，然后根据反射方向进行纹理采样即可。

最后将两个颜色根据透光度进行混合就计算完成了。

二、准备纹理

1.获取纹理

在SRP中可以通过设置CommandBuffer的SetRenderTarget将宽度、法线、深度图专门用特定的ShaderTagId指定，这样可以渲染两次就得到所有3张纹理，因为法线可以和深度一次得到。

但是在Build-in中我没有找到指定深度图的方法，导致后面模糊时不能很好的将深度值提取出来模糊，不过因为我们这个计算方式只使用了xy的法线值，可以将深度值存储在法线纹理的b通道中。
裁剪空间获取深度的公式：

其中f是远裁剪面、n是近裁剪面、z是视角空间z值。
代码表示：

//获取深度的公式，这个深度值就是深度图中的深度值
//_ProjectionParams是Unity提供的数据，y是摄像机的近平面、z是远平面
//i.pos是裁剪空间坐标，其中的w值存储着视角空间的z值
depth = (_ProjectionParams.z * i.pos.w - _ProjectionParams.z * _ProjectionParams.y)/((_ProjectionParams.z - _ProjectionParams.y) * i.pos.w)
//Unity会将深度图值转化，让近平面的精度更高，远平面精度可以低一点，
//因为浮点数在接近0时精度会上升
depth = 1- depth;

2.模糊纹理

模糊纹理使用的算法是双边滤波，这个算法可以让球体的边界混合起来，同时不会像高斯模糊一样让颜色值与周围混合，导致颜色不能准确对应该像素。

核心代码：

float CompareColor(float4 col1, float4 col2)
{float l1 = LinearRgbToLuminance(col1.rgb);float l2 = LinearRgbToLuminance(col2.rgb);return smoothstep(_BilaterFilterFactor, 1.0, 1.0 - abs(l1 - l2));
}float4 BilateralFilterFragment (Varyings input) : SV_TARGET{float2 delta = _PostFxEffectSource_TexelSize.xy * _BlurRadius.xy;//采集Normal的颜色值float4 col =   SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV);float4 col0a = SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV - delta);float4 col0b = SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV + delta);float4 col1a = SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV - 2.0 * delta);float4 col1b = SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV + 2.0 * delta);float4 col2a = SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV - 3.0 * delta);float4 col2b = SAMPLE_TEXTURE2D(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, input.screenUV + 3.0 * delta);float w = 0.37004405286;float w0a = CompareColor(col, col0a) * 0.31718061674;float w0b = CompareColor(col, col0b) * 0.31718061674;float w1a = CompareColor(col, col1a) * 0.19823788546;float w1b = CompareColor(col, col1b) * 0.19823788546;float w2a = CompareColor(col, col2a) * 0.11453744493;float w2b = CompareColor(col, col2b) * 0.11453744493;float3 result;result = w * col.rgb;result += w0a * col0a.rgb;result += w0b * col0b.rgb;result += w1a * col1a.rgb;result += w1b * col1b.rgb;result += w2a * col2a.rgb;result += w2b * col2b.rgb;result /= w + w0a + w0b + w1a + w1b + w2a + w2b;return float4(result, 1);
}

双边滤波也需要像高斯模糊一样执行两次，对垂直以及水平进行模糊，具体实现可以参考这篇文章。

2.混合主纹理上

这部分就和正常的后处理流程一样了，具体后处理如何实现就不赘述了，这里只描写着色的核心代码。

首先第一步，进行深度对比，判断该像素是否需要进行液体着色，也就是是否被遮挡。

 if(currentDepth >= waterDepth)return float4(currentColor, 1);       //返回原本像素颜色

获得折射以及反射的颜色值：

 float3 viewDirection = normalize( _WorldSpaceCameraPos - worldPos );float3 reflectDir = normalize(-viewDirection + 2 * waterNormal); //反射方向//反射颜色float3 specular = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD( _WaterReflectCube, sampler_WaterReflectCube, reflectDir, 0 ).rgb;float2 ofssetUV = (-viewDirection - 0.2 * waterNormal).xy * waterWidth * 0.2 + input.screenUV;//折射颜色float3 refrColor = SAMPLE_TEXTURE2D_LOD(_PostFxEffectSource, sampler_linear_clamp, ofssetUV, 0).rgb;//混合液体颜色，transLight是透光度refrColor = lerp(refrColor * _WaterColor.rgb, refrColor, transLight);

按照大佬文章的公式：

其中R1和R2分别是水和空气的折射率。
代码：

 float n_0 = pow( (_WaterData.y - _WaterData.x) / (_WaterData.y + _WaterData.x), 2 );float fresnel = ( n_0 + (1 - n_0) * pow( 1 - dot(viewDirection, waterNormal), 5 ) )* waterWidth;float3 finalCol = refrColor * (1 - fresnel) + fresnel * specular;

总结

导致这个粒子水系列就正式完成了，我觉得这个实现的水不适合作为“水”，不过如果拿来做流体模拟的话还是可以的，因为有深度、法线图，用来实现牛奶等BSDF等渲染效果是很不错的，毕竟BSDF的一个难点是宽度计算，有了宽度其他计算就和BRDF没什么区别了。

1.现有问题

目前本场景的粒子并没有进行软粒子处理，如果有必要的话可以在渲染宽度时将深度图传入，在深度相近时进行透明，而且可以根据深度值进行Hi-z剔除，优化效果。

本项目的根据都是基于Unity的物理检测的，这个部分是损耗最大的部分，也是最容易出bug的部分，如果之后场景需要的话建议直接设置固定的流动方向，不进行真正的时时物理检测，刷新流动方向，这样CPU占用太大了。

理论上这些粒子着色都是要用ComputeShader写的，但是我在写这个系列时还不懂这些，在最近研究SRP时才知道有这个东西。
不过由于模拟时数据量太大了，这种直接将数据传递到顶点的方式说不定更适合物理模拟，不过之前实现的粒子系统可能就真的需要更新了，之后应该会更新Compute Shader进行剔除的粒子系统，更加全面的实现Unity新版粒子系统。